李 光 王志文③ 馬鳳山 趙海軍 郭 捷

(①中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 中國科學(xué)院頁巖氣與地質(zhì)工程重點實驗室， 北京 100029， 中國)

(②中國科學(xué)院地球科學(xué)研究院， 北京 100029， 中國)

(③中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049， 中國)

0 引 言

隨著礦產(chǎn)資源消耗的日益增加，賦存地質(zhì)條件較好的礦藏因長期開采而接近枯竭。自然界中賦存條件復(fù)雜的礦藏，尤其是水下礦體的開采，引起了普遍的關(guān)注(Rona， 2003； Liu et al.，2012)。全球范圍內(nèi)的海底儲存大量未經(jīng)開采的各類礦產(chǎn)資源，可以為未來人類可持續(xù)發(fā)展提供關(guān)鍵物質(zhì)基礎(chǔ)(劉帥奇等， 2021)。

和陸上礦山開挖不同，濱海礦山開挖往往面臨上覆水體的威脅，礦井突涌水事件屢見不鮮。其中：濱海金屬礦山因其與海底煤礦特征不同，受水害威脅更加嚴(yán)重(Li et al.，2013； Sui et al.，2013)。海底金屬礦往往具有較大的傾角，陡傾礦體的開采不可避免會令不同深度的工作面在垂直方向上投影重疊，不同中段的巖體變形相互影響容易誘發(fā)大規(guī)模的變形破壞。此外，當(dāng)上覆圍巖出現(xiàn)較大變形時，可能產(chǎn)生連接海底的導(dǎo)水通道，致使海水灌入礦山采空區(qū)。海水具有不易疏降處理、補給來源難以切斷等特點，因此，海底采礦通常設(shè)置隔水礦柱作為主要隔水措施，其中隔水礦柱厚度的選擇是關(guān)乎整個礦山工程安全、高效生產(chǎn)的關(guān)鍵問題(趙國彥等， 2009)。

在研究某些實際工程問題時，原位試驗和室內(nèi)試驗很難開展，數(shù)值模擬試驗和理論推導(dǎo)方法又難以充分考慮工程地質(zhì)條件的制約作用。針對這些不足，發(fā)展了地質(zhì)力學(xué)模型試驗方法。該方法以相似原理為理論依據(jù)，結(jié)合具體的工程地質(zhì)體選取合適比例進(jìn)行縮尺度研究，能夠更真切地反映工程活動和地質(zhì)體之間相互影響(李術(shù)才等， 2013； 楊寶全等， 2016； 劉聰?shù)龋?2018)。由于海底采礦工程地質(zhì)條件復(fù)雜，使用物理模型試驗方法研究需要較高的工藝水平，并投入較大人力、物力，因此并不多見。陳紅江等(2010)采用相似物理模型試驗方法對水下開采頂板突水現(xiàn)象進(jìn)行了研究。張杰(2011)考慮地下水的影響，設(shè)計了流固耦合的物理模型，并對保水采煤工作面的安全進(jìn)距和基巖保護(hù)層厚度展開研究。徐乃忠等(2019)采用地質(zhì)力學(xué)模型試驗針對新近系煤層開采沉陷及覆巖移動規(guī)律進(jìn)行研究。目前，針對礦山開采引起的巖移變形主要集中在陸地煤礦，而針對海底金屬礦山研究較少。而且，以往對于隔水礦柱厚度選取主要基于概化的力學(xué)模型和經(jīng)驗公式，采用物理模型試驗方法對具體地質(zhì)環(huán)境條件下的研究較少。

綜上所述，本文選取我國唯一在采的濱?；鶐r金屬礦山三山島金礦新立礦區(qū)為研究對象，采用物理模型試驗方法，提取新立礦區(qū)典型地質(zhì)剖面作為原型，重現(xiàn)礦山充填開采過程，闡明動態(tài)開采條件下海底礦山采空區(qū)圍巖變形破壞過程和特征，并給出新立礦區(qū)頂部隔離礦柱臨界開采上限。研究成果可為新立礦區(qū)臨界開采上限的確定提供理論基礎(chǔ)，也對相似地質(zhì)條件下的礦山發(fā)展具有借鑒意義。

1 研究區(qū)工程地質(zhì)條件

山東三山島金礦是我國首個發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行開采的濱?；鶐r金屬礦山，地處山東省煙臺市萊州市三山島鎮(zhèn)特別工業(yè)區(qū)，位于渤海南岸的濱海平原，北、西、南三面環(huán)海，東部是陸地(Zhao et al.，2012)。區(qū)內(nèi)出露地層巖性簡單，主要為第四系沉積物及膠東群花崗巖。區(qū)內(nèi)主要受三山島-倉上斷裂控制，探明金礦主要成生于斷裂的蝕變帶，可見圖1a(段學(xué)良等， 2019)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)概況

三山島金礦劃分為新立和西山兩個礦區(qū)，其中新立礦區(qū)整體位于海平面以下，上覆海水，在開采過程中不具備自然排水的條件； 其頂部和控礦斷裂連接的第四系含水地層具有豐富的補給來源，和F1斷裂之間僅有一層亞黏土隔水層，在開采過程中有可能因巖移錯斷頂部隔水層，并使F1斷層滑移轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)水通道，對開采工作構(gòu)成威脅(圖1b)。自2005年以來，新立礦區(qū)由-165m向下采用充填法采礦，在頂部設(shè)置了135m厚的隔水礦柱(段學(xué)良等， 2021)。新立礦區(qū)目前采用上向水平分層充填采礦法，選取全尾砂進(jìn)行回填，采用鑿巖和爆破結(jié)合方式采礦。目前，底部礦體接近枯竭，而開采實踐證明，頂部隔水礦柱厚度設(shè)置相對保守，浪費了部分資源。因此，有必要基于礦區(qū)地質(zhì)條件，重新厘定合理隔水礦柱厚度，給出三山島新立礦區(qū)合理開采上限。

2 研究區(qū)礦體開采物理模型試驗

2.1 物理模型概化

在物理模型設(shè)計過程中，要實現(xiàn)礦區(qū)構(gòu)造，地應(yīng)力和水文等條件的精細(xì)化刻畫，問題將會非常復(fù)雜。為此，根據(jù)所研究的主要問題對工程體原型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕x取典型剖面作為原型(圖1c)，根據(jù)巖性組合和巖體結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行相應(yīng)的概化。該剖面礦體的厚度隨埋深增加(平均厚度40m)，且礦體上邊界基本與控礦斷裂F1相切，礦體和斷裂的傾角約45°。

綜合考慮試驗室條件及試驗工藝，將原型剖面概化為圖2所示的概化模型。巖體頂部的海底第四系沉積物厚度概化為35m厚。礦體概化為頂部20m寬，底部40m寬的四邊形。

圖2 研究區(qū)典型剖面概化圖

2.2 相似關(guān)系設(shè)計

根據(jù)量綱分析法，基于新立礦區(qū)復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，綜合考慮試驗?zāi)康暮驮囼炘O(shè)備，挑選幾個重要的指標(biāo)來完成相似模擬(李光等， 2019a)。本試驗的主要研究內(nèi)容是新立礦區(qū)在開采過程中的覆巖變形破壞規(guī)律及預(yù)設(shè)隔水礦柱高度。在地質(zhì)力學(xué)模型試驗中，重力是誘發(fā)各種物理過程的重要作用力，在滿足幾何相似的條件下，要滿足重力場相同，這就要求實現(xiàn)相似材料的重度相似。在礦山開采的穩(wěn)定性研究中，為保證模型和原型在開挖過程中的變形破壞特征相似，抗壓強度和彈性模量是不可或缺的重要指標(biāo)。

因此，在模型試驗中主要分析以下物理量：礦區(qū)的幾何尺寸l、巖體的密度ρ、巖體彈性模量E、巖體抗壓強度UCS、重力加速度g、應(yīng)力σ、位移d。應(yīng)力和位移是試驗過程中的待求量。礦區(qū)的幾何尺寸l、巖體的密度ρ、巖體彈性模量E、巖體抗壓強度UCS反映了模型試驗的特征。將新立礦區(qū)各物理現(xiàn)象及參量表達(dá)為：

f(l，ρ，E，UCS，g，d，σ)=0

(1)

根據(jù)相似三定律，將地質(zhì)體原型p與模型m間量綱相同的物理量比值定義為相似常數(shù)，以C來表示。根據(jù)試驗條件和試驗要求，結(jié)合前人模型試驗的經(jīng)驗，本文模型試驗選取密度ρ、尺寸l作為控制量，各物理量相似常數(shù)見表1。

表1 相似關(guān)系設(shè)計表

2.3 相似材料配比

在物理模型搭建前，要根據(jù)原型特點，選擇合適的材料制備滿足相似關(guān)系的相似材料。相似材料配比的選取至關(guān)重要，是模型試驗成功與否的關(guān)鍵(李光等， 2019b)。研究區(qū)巖石力學(xué)參數(shù)如表2所示，根據(jù)選取的相似常數(shù)換算得到目標(biāo)相似材料物理力學(xué)指標(biāo)如表3所示(郭捷等， 2015； 李光等， 2020)。

表2 研究區(qū)巖石物理力學(xué)參數(shù)

表3 相似材料目標(biāo)參數(shù)

本次試驗采用易于獲取的普通河砂為骨料，高強石膏和普通硅酸鹽水泥為膠結(jié)劑，速凝劑作為添加劑混合制作相似材料。依據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會推薦，采用直徑50mm，高100mm的模具制造標(biāo)準(zhǔn)試樣，測量試件密度并進(jìn)行單軸壓縮試驗。在相似材料配比試驗中，通過調(diào)節(jié)河砂、水泥、石膏之間的配比關(guān)系來實現(xiàn)相似材料參數(shù)的改變。砂膠比為河砂與水泥和石膏總和的質(zhì)量比，水膏比為水泥和石膏的質(zhì)量比。

本次試驗以重度，抗壓強度，彈性模量為主要考慮因素，采用均勻設(shè)計原理進(jìn)行試驗，最終采用的相似材料配比及相應(yīng)物理、力學(xué)參數(shù)見表4。隔水黏土層在模型中厚度較小，采用1cm厚的黏土在模型中體現(xiàn)，斷層采用薄層云母粉模擬(李光等， 2020)。

表4 相似材料配比及參數(shù)

2.4 物理模型試驗方案

試驗采用光學(xué)散斑測量系統(tǒng)來觀測模型在開挖試驗過程中的變形，系統(tǒng)由普通數(shù)碼相機、相機腳架、數(shù)字圖像相關(guān)法軟件GOM Correlate組成。數(shù)字圖像相關(guān)法是將試件變形前后的多幅數(shù)字圖像疊合對比，通過對相同點的位移變形計算獲取監(jiān)測區(qū)域的變形信息，對試驗條件要求較少，并且具有全場測量、抗干擾能力強、測量精度高等優(yōu)點。

試驗采用自主研發(fā)的液壓伺服綜合實驗平臺進(jìn)行加載，綜合平臺采用伺服控制，整個平臺由模型箱、加載系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3個部分組成，如圖3所示。模型箱的尺寸為160cm×20cm×100cm。加載系統(tǒng)采用電腦控制的油壓加載，豎向荷載為0～300kN，水平向荷載為0～300kN。本次試驗?zāi)M的是自地表以下深度達(dá)350m范圍內(nèi)的地質(zhì)體，受實驗條件所限，水平方向并不能實現(xiàn)梯度加載，因此取實際埋深175m處水平地應(yīng)力作為模型試驗中加載的地應(yīng)力。根據(jù)該區(qū)地應(yīng)力實測資料，通過相似關(guān)系換算出，實驗室需施加的水平荷載為4.2kN，模型邊界條件如圖4所示。

圖3 液壓伺服綜合試驗平臺

圖4 模型邊界條件示意圖

根據(jù)研究區(qū)實際開采現(xiàn)狀，首先對礦體-165m以下3個中段：-200～-165m中段、-240～-205m中段和-280～-245m中段進(jìn)行充填開采，重點觀察開采過程中圍巖的位移變化。之后針對-165m以上預(yù)留的隔水礦柱進(jìn)行逐步充填回采，主要目標(biāo)是獲得上覆圍巖形成導(dǎo)水通道的臨界高度，進(jìn)而確定開采臨界上限。

在礦體開采過程中，首先對模型施加水平荷載以模擬水平地應(yīng)力，待荷載穩(wěn)定后，對各中段進(jìn)行開采。中段開采完成后，以開采殘渣混合水泥、石膏作為充填物對采空區(qū)回填。綜合考慮試驗成本和設(shè)備條件，每中段的開采時間間隔設(shè)置為1h，模型各中段具體開采充填狀況如圖5所示。

圖5 物理模型試驗過程

3 模型試驗結(jié)果分析

3.1 覆巖變形破壞特征

因試驗過程中出現(xiàn)了部分模型表皮脫落的現(xiàn)象，影響了散斑的質(zhì)量。因此，在模型上選定7條散斑清晰的測線進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，繪制成如圖6所示系列曲線。

圖6 模擬開采全過程圍巖位移曲線圖

如圖6a所示，在-200～-165m中段開采時，采空區(qū)頂板和上盤礦體發(fā)生變形，最大變形發(fā)生在采空區(qū)和斷層之間的礦體處，變形量約為8.54cm，采空區(qū)底板和下盤巖體變形不明顯； 如圖6b所示，當(dāng)開采-240m～-205m中段時，上盤區(qū)域向下的位移明顯增加，最大變形點出現(xiàn)在該開采中段的右上側(cè)和斷層之間，監(jiān)測到的最大變形量達(dá)147.91cm。菱形采空區(qū)左下側(cè)區(qū)域圍巖發(fā)生卸荷回彈，出現(xiàn)明顯的豎向位移。隨開采向深部進(jìn)行，歷史采空區(qū)相對于現(xiàn)采空區(qū)位于頂部，原采空區(qū)底板轉(zhuǎn)變成為現(xiàn)采空區(qū)頂板，頂部的變形逐步累加。頂部巖層受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢斯潭?，一端受阻的懸臂梁式，上盤區(qū)域巖體呈連續(xù)、均勻式彎曲下沉； 如圖6c所示，工作面推進(jìn)到-280～-245m中段時，采空區(qū)上盤圍巖變形呈漏斗狀，最大變形點位于該開采中段的右上方，最大變形量達(dá)149.45cm，這可能是受到了重復(fù)采動作用的影響。

下向開采階段完成后，轉(zhuǎn)入頂部礦體回采階段。如圖6d所示，對-160～-125m中段進(jìn)行開采時發(fā)現(xiàn)，除現(xiàn)采空區(qū)頂板和上盤圍巖發(fā)生變形外，歷史采空區(qū)頂、底板和附近圍巖的變形量同步增加，最大變形點仍出現(xiàn)在下向開采第2個中段處。這可能是由于隨開采中段的增加，礦體附近圍巖承載力變?nèi)酰谟覀?cè)邊界荷載作用下，上盤巖體向巖體強度較低的采空充填區(qū)移動，形成了淺部礦體開采，深部歷史采空區(qū)變形持續(xù)增大的現(xiàn)象； 如圖6e所示，對-120～-85m中段圍巖進(jìn)行回采直至圍巖發(fā)生整體失穩(wěn)破裂，礦體下盤圍巖在開采中段附近發(fā)生隆起現(xiàn)象，在上盤區(qū)域沉降劇烈，圍巖沿斷層兩側(cè)發(fā)生了差異性變形。

3.2 臨界開采上限確定

在礦體開采過程中，采場圍巖按距離由近到遠(yuǎn)分為塌落區(qū)、屈服區(qū)、彈性變形區(qū)、未擾動區(qū)。塌落區(qū)巖體脫離母體，失去了承載力； 屈服區(qū)巖體完整性遭到破壞，尚未脫離母體，但在采動作用下極易轉(zhuǎn)化成塌落區(qū)； 彈性變形區(qū)離開挖空間最遠(yuǎn)，其巖體受開挖影響僅發(fā)生彈性變形，不發(fā)生破壞。隨著礦山開采工作面拓展，現(xiàn)采空區(qū)受歷史采空區(qū)影響，其塑性變形區(qū)相比單一采空區(qū)更大，巖體移動范圍也更大，塌落巖體增加，巖體向采空區(qū)變形加??； 這一過程降低了圍巖承載力，且在影響范圍擴大后，傳遞到地表引起變形。對淺部中段開采時即發(fā)生這一過程，首先在采空區(qū)頂部萌生拉裂紋(圖7a)，隨后裂紋擴展匯合，切割頂部巖體(圖7b)，引發(fā)頂部楔形坍塌(圖7c)，降低圍巖質(zhì)量，斷層兩側(cè)的巖體發(fā)生錯動滑移(圖7d)。

圖7 覆巖變形破裂發(fā)育全過程

在受工程擾動之前，巖體中地應(yīng)力場處于平衡狀態(tài)。針對局部礦體進(jìn)行采掘會在巖體內(nèi)部形成一個臨空區(qū)域，給巖體變形提供了空間。與此同時，圍巖在應(yīng)力場的作用下向臨空方向發(fā)生卸荷回彈，在應(yīng)力重分布作用下局部巖體應(yīng)力集中，超過承載極限后發(fā)生破壞，和周圍巖體脫離，在適當(dāng)?shù)牡刭|(zhì)條件下可以達(dá)到新的平衡狀態(tài)。研究區(qū)在開采由深部轉(zhuǎn)為淺部的過程中，采空中段增加，采空區(qū)圍巖強度和承載力降低，斷層受到的阻滑力降低。在對-120m以上礦體進(jìn)行開采時，淺部上盤巖體受重力影響較小，主要在水平應(yīng)力作用下沿斷層產(chǎn)生明顯的“爬坡效應(yīng)”。埋深相對較深的上盤巖體主要受重力作用影響，向采空區(qū)發(fā)生位移，沿斷層活動相對較弱； 在淺部采空區(qū)上盤形成拉應(yīng)力集中區(qū)，產(chǎn)生水平裂紋。

綜上所述，對研究區(qū)典型剖面礦體頂部預(yù)留礦柱進(jìn)行回采時發(fā)現(xiàn)，回采至-90～-85m中段時，圍巖在重分布應(yīng)力的作用下無法達(dá)到新的平衡狀態(tài)，圍巖失穩(wěn)發(fā)生變形破壞，最后導(dǎo)致頂板失去承載力，在采空區(qū)和頂部第四系之間形成了貫通破壞。此時的臨界開采高度為-85m，頂部預(yù)留隔離礦柱臨界厚度為50m。采空區(qū)和頂部含水層發(fā)生貫通破壞模式是斷層活化，采空區(qū)和頂部海水之間沿斷層發(fā)生較大錯動，形成海水灌入的通道。

4 結(jié) 論

濱海礦山開采過程中，對覆巖變形破壞規(guī)律及臨界開采上限的掌握是礦山安全、高效生產(chǎn)的關(guān)鍵，本文依托山東三山島金礦新立礦區(qū)，基于濱海礦山復(fù)雜的地質(zhì)特征，采用室內(nèi)地質(zhì)力學(xué)模型試驗研究方法，重現(xiàn)了海下充填開采過程，獲得主要結(jié)論包括：

(1)采空區(qū)頂板和上盤礦體主要發(fā)生沉降變形，最大沉降發(fā)生在采空區(qū)和斷層之間的礦體處，上盤地表出現(xiàn)沉降中心； 下盤巖體臨近采空區(qū)附近發(fā)生隆起，在礦體頂部地表出現(xiàn)隆起中心，圍巖沿斷層兩側(cè)的變形表現(xiàn)出明顯的差異性。圍巖水平位移主要發(fā)生在礦體上盤和開采中段下盤受重分布應(yīng)力作用影響較大的區(qū)域，位移指向采空區(qū)。

(2)隨著研究區(qū)礦體開采的不斷進(jìn)行，采空區(qū)體積不斷增大，斷層所受阻滑力降低。深部礦體主要受豎直方向地應(yīng)力控制，其變形破壞主要向采空區(qū)方向伸展，沿斷層的活動相對較弱。而淺部礦體則主要表現(xiàn)為沿斷層走向的變形破壞，更易誘發(fā)斷層失穩(wěn)破壞。試驗結(jié)果顯示，三山島新立礦區(qū)的臨界開采高度為-85m，頂部預(yù)留隔離礦柱臨界厚度為50m。超過該臨界值時，采空區(qū)和頂部含水層發(fā)生貫通性破壞，其失穩(wěn)模式為斷層活化。

本文在進(jìn)行室內(nèi)物理模型試驗時，未能按實際情況在礦體頂部施加真實水壓，在模型筑造和監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)方面也存在考慮不周之處，未能獲取理想的試驗數(shù)據(jù)。后續(xù)應(yīng)繼續(xù)開展考慮不同礦體傾角、礦體厚度、礦體-斷層間距等因素影響下的對比試驗，并將此次試驗中的不足逐步改善。